Atom pașnic în fiecare casă - reactoare nucleare miniaturale pentru toată lumea. China intenționează să construiască cel mai mic reactor nuclear din lume
Recent, conceptul de alimentare autonomă cu energie a fost din ce în ce mai dezvoltat. Fie că este o casă de țară cu turbinele eoliene și panourile solare pe acoperiș sau o fabrică de prelucrare a lemnului cu un cazan de încălzire care funcționează cu deșeuri industriale - rumeguș, esența nu se schimbă. Lumea ajunge treptat la concluzia că este timpul să renunțe la furnizarea centralizată de căldură și electricitate. Încălzirea centrală practic nu se mai găsește în Europa, case individuale, zgârie-nori apartament și întreprinderile industriale sunt încălzite independent. Singura excepție o constituie anumite orașe din țările nordice - unde încălzirea centralizată și cazanele mari sunt justificate de condițiile climatice.
În ceea ce privește industria de energie autonomă, totul se îndreaptă către aceasta - populația cumpără în mod activ turbine eoliene și panouri solare. Întreprinderile caută modalități de a utiliza rațional energia termică din procese tehnologice, își construiesc propriile centrale termice și, de asemenea, cumpără panouri solare și turbine eoliene. Cei care se concentrează în special pe tehnologiile „verzi” plănuiesc chiar să acopere acoperișurile atelierelor fabricilor și hangarelor cu panouri solare.
În cele din urmă, acest lucru se dovedește a fi mai ieftin decât achiziționarea capacității energetice necesare de la rețelele electrice locale. Cu toate acestea, după accidentul de la Cernobîl, toată lumea a uitat cumva că cel mai ecologic, ieftin și accesibil mod de a obține energie electrica energia atomului rămâne încă. Și dacă de-a lungul existenței industriei nucleare, centralele cu reactoare nucleare au fost întotdeauna asociate cu complexe care acoperă hectare de suprafață, țevi uriașe și lacuri pentru răcire, atunci o serie de dezvoltări ultimii ani urmărește să spargă aceste stereotipuri.
Mai multe companii au anunțat imediat că intră pe piață cu reactoare nucleare „acasă”. Stațiile miniaturale, de la o cutie de garaj la o clădire mică cu două etaje, sunt gata să furnizeze de la 10 la 100 MW timp de 10 ani fără realimentare. Reactoarele sunt complet autonome, sigure, nu necesită întreținere și, la sfârșitul duratei de viață, sunt pur și simplu reîncărcate pentru încă 10 ani. Nu este un vis pentru o fabrică de fier sau un rezident comercial de vară? Să aruncăm o privire mai atentă la acelea dintre ele ale căror vânzări vor începe în următorii ani.
Toshiba 4S (Super sigur, mic și simplu)
Reactorul este proiectat ca o baterie. Se presupune că o astfel de „baterie” va fi îngropată într-un puț de 30 de metri adâncime, iar clădirea de deasupra ei va măsura 22 de metri. 16 11 metri. Nu mult mai mult decât o casă de țară frumoasă? O astfel de stație va necesita personal de întreținere, dar acest lucru încă nu se compară cu zeci de mii de metri pătrați de spațiu și sute de muncitori de la centralele nucleare tradiționale. Puterea nominală a complexului este de 10 megawați timp de 30 de ani fără realimentare.
Reactorul funcționează pe neutroni rapizi. Un reactor similar a fost instalat și operat din 1980 la CNE Beloyarsk în Regiunea Sverdlovsk Rusia (reactor BN-600). Este descris principiul de funcționare. În instalația japoneză, sodiul topit este folosit ca lichid de răcire. Acest lucru face posibilă creșterea temperaturii de funcționare a reactorului cu 200 de grade Celsius în comparație cu apa și la presiune normală. Utilizarea apei în această calitate ar crește presiunea din sistem de sute de ori.
Cel mai important, costul de generare a 1 kWh pentru această instalație este de așteptat să varieze între 5 și 13 cenți. Variația se datorează particularităților impozitării naționale, costurilor diferite de procesare a deșeurilor nucleare și costului dezafectării centralei în sine.
Primul client al „bateriei” de la Toshiba pare să fie micul oraș Galena, Alaska, din SUA. În prezent timpul trece coordonarea documentației de autorizare cu agențiile guvernamentale americane. Partenerul companiei în SUA este cunoscuta companie Westinghouse, care a furnizat pentru prima dată ansambluri de combustibil alternativ la TTEL rusești centralei nucleare din Ucraina.
Hyperion Power Generation și Hyperion Reactor
Acești americani par să fie primii care au intrat pe piața comercială a reactoarelor nucleare miniaturale. Compania oferă instalații de la 70 la 25 de megawați care costă aproximativ 25-30 de milioane de dolari pe unitate. Instalațiile nucleare Hyperion pot fi utilizate atât pentru producerea de energie electrică, cât și pentru încălzire. De la începutul anului 2010, au fost deja primite peste 100 de comenzi pentru stații de diferite capacități, atât de la persoane fizice, cât și de la companii de stat. Există chiar planuri de mutare a producției de module finite în afara Statelor Unite, construind fabrici în Asia și Europa de Vest.
Reactorul funcționează pe același principiu ca majoritatea reactoarelor moderne din centralele nucleare. Citiți . Cele mai apropiate în principiu de funcționare sunt cele mai comune reactoare rusești de tip VVER și centrale electrice utilizate pe submarinele nucleare Proiect 705 Lira (NATO - „Alfa”). Reactorul american este practic o versiune terestră a reactoarelor instalate pe aceste submarine nucleare, de altfel - cele mai rapide submarine din vremea lor.
Combustibilul folosit este nitrura de uraniu, care are o conductivitate termică mai mare în comparație cu oxidul de uraniu ceramic, tradițional pentru reactoarele VVER. Acest lucru permite funcționarea la temperaturi cu 250-300 de grade Celsius mai mari decât unitățile apă-apă, crescând eficiența de funcționare turbine cu abur generatoare electrice. Totul este simplu aici - cu cât temperatura reactorului este mai mare, cu atât temperatura aburului este mai mare și, ca urmare, eficiența turbinei cu abur este mai mare.
O topitură de plumb-bismut, similară cu cea de pe submarinele nucleare sovietice, este folosită ca „lichid” de răcire. Topitura trece prin trei circuite de schimb de căldură, reducând temperatura de la 500 de grade Celsius la 480. Fluidul de lucru pentru turbină poate fi fie vapori de apă, fie dioxid de carbon supraîncălzit.
Instalația cu combustibil și sistem de răcire cântărește doar 20 de tone și este proiectată pentru 10 ani de funcționare la o putere nominală de 70 de megawați fără realimentare. Dimensiunile miniaturale sunt cu adevărat impresionante - reactorul are doar 2,5 metri înălțime și 1,5 metri lățime! Întregul sistem poate fi transportat cu camion sau pe calea ferată, fiind deținătorul recordului mondial comercial absolut pentru raportul putere-mobilitate.
La sosirea la fața locului, „butoiul” cu reactorul este pur și simplu îngropat. Accesul la acesta sau orice întreținere nu este deloc așteptat. După perioada de garantie ansamblul este excavat și trimis la uzina producătorului pentru reumplere. Caracteristicile răcirii cu plumb-bismut oferă un avantaj uriaș de siguranță - supraîncălzirea și explozia nu sunt posibile (presiunea nu crește odată cu temperatura). De asemenea, atunci când este răcit, aliajul se solidifică, iar reactorul în sine se transformă într-o bară de fier izolată cu un strat gros de plumb, care nu se teme. influențe mecanice. Apropo, imposibilitatea de a lucra la putere redusă (din cauza solidificării aliajului de răcire și a opririi automate) a fost motivul abandonării. utilizare ulterioară instalaţii plumb-bismut pe submarinele nucleare. Din același motiv, acestea sunt cele mai sigure reactoare instalate vreodată pe submarinele nucleare din toate țările.
Inițial, centralele nucleare în miniatură au fost dezvoltate de Hyperion Power Generation pentru nevoile industriei miniere, și anume pentru procesarea șisturilor bituminoase în petrol sintetic. Rezervele estimate de petrol sintetic în șisturi bituminoase disponibile pentru procesare folosind tehnologiile actuale sunt estimate la 2,8-3,3 trilioane de barili. Spre comparație, rezervele de petrol „lichid” din puțuri sunt estimate la doar 1,2 trilioane de barili. Cu toate acestea, procesul de rafinare a șistului în petrol necesită încălzirea acestuia și apoi captarea vaporilor, care apoi se condensează în petrol și produse secundare. Este clar că pentru încălzire trebuie să obțineți energie de undeva. Din acest motiv, producția de petrol din șist este considerată nerealizabilă din punct de vedere economic în comparație cu importul acestuia din țările OPEC. Astfel, compania vede viitorul produsului său în diferite domenii de aplicare.
De exemplu, ca centrală electrică mobilă pentru nevoile bazelor militare și aerodromurilor. Există și perspective interesante aici. Astfel, în timpul războiului mobil, când trupele operează din așa-numitele puncte forte din anumite regiuni, aceste stații ar putea alimenta infrastructura „de bază”. La fel ca în strategiile computerizate. Singura diferență este că, atunci când sarcina din regiune este finalizată, centrala electrică este încărcată vehicul(avion, elicopter de marfă, camioane, tren, navă) și dus într-un loc nou.
O altă aplicație militară este alimentarea staționară a bazelor militare și aerodromurilor permanente. În cazul unui raid aerian sau al unui atac cu rachete, o bază cu o centrală nucleară subterană care nu necesită personal de întreținere este mai probabil să rămână capabilă de luptă. În același mod, este posibilă alimentarea unor grupuri de obiecte de infrastructură socială - sisteme de alimentare cu apă ale orașelor, facilități administrative, spitale.
Ei bine, aplicații industriale și civile - sisteme de alimentare cu energie pentru orașe și orașe mici, întreprinderi individuale sau grupuri ale acestora, sisteme de încălzire. La urma urmei, aceste instalații generează în primul rând energie termică și în regiunile reci ale planetei pot forma nucleul sistemelor de încălzire centralizată. Asemenea companie promițătoare are în vedere utilizarea unor astfel de centrale electrice mobile la instalațiile de desalinizare în ţările în curs de dezvoltare Oh.
SSTAR (reactor mic, sigilat, transportabil, autonom)
Un mic reactor autonom mobil, sigilat, este un proiect dezvoltat la Lawrence Livermore National Laboratory, SUA. Principiul de funcționare este similar cu Hyperion, doar că folosește uraniu-235 ca combustibil. Trebuie să aibă o durată de valabilitate de 30 de ani, cu o capacitate de 10 până la 100 megawați.
Dimensiunile ar trebui să fie de 15 metri înălțime și 3 metri lățime, cu o greutate a reactorului de 200 de tone. Această instalație este inițial concepută pentru a fi utilizată în țările subdezvoltate în cadrul unei scheme de leasing. Astfel, se acordă o atenție sporită incapacității de a dezasambla structura și de a extrage ceva valoros din ea. Ceea ce este valoros este uraniul-238 și plutoniul de calitate pentru arme, care sunt produse pe măsură ce expiră.
La sfârșitul contractului de închiriere, destinatarului i se va cere să returneze unitatea în Statele Unite. Sunt singurul care crede că acestea sunt fabrici mobile pentru producția de plutoniu pentru arme pentru banii altora? 🙂 Totuși, statul american nu a avansat mai mult aici munca de cercetareÎncă nu există nici măcar un prototip.
Pentru a rezuma, trebuie menționat că până acum cea mai realistă dezvoltare este de la Hyperion și primele livrări sunt programate pentru 2014. Cred că ne putem aștepta la un nou avans al centralelor nucleare „de buzunar”, mai ales că lucrări similare Alte întreprinderi dezvoltă, de asemenea, stații similare, inclusiv giganți precum Mitsubishi Heavy Industries. În general, în miniatură reactor nuclear- acesta este un răspuns demn la toate tipurile de turbiditate mare și alte tehnologii incredibil de „verzi”. Se pare că vom vedea în curând tehnologia militară trecând din nou în uz civil.
Poate o clădire să se asigure pe deplin cu energie electrică, căldură, apă caldă și, în același timp, să vândă o parte din excesul de energie în lateral?
Cu siguranţă! Dacă ne amintim de atomul vechi și bun și ne dotăm casa cu un reactor nuclear în miniatură. Dar ecologie și siguranță? Se pare că aceste probleme pot fi rezolvate prin utilizarea tehnologii moderne. Este exact ceea ce cred experții de la Departamentul de Energie al SUA, implicați în implementarea așa-numitului concept. reactor „sigilat”.
Însăși ideea de a crea un astfel de dispozitiv a apărut în urmă cu aproximativ zece ani, ca o rețetă pentru aprovizionarea eficientă cu energie a țărilor în curs de dezvoltare. Ei element cheie este un „mic reactor autonom transportabil sigilat” (SSTAR), dezvoltat la Lawrence Livermore National Laboratory. Lawrence (California).
O caracteristică specială a acestui produs este imposibilitatea completă de îndepărtare. substanță radioactivă(ca să nu mai vorbim de posibilitatea scurgerii acestuia). Aceasta trebuia să fie condiția principală pentru furnizarea de dispozitive către așa-numitele state. lumea „a treia”, pentru a elimina tentația de a-și folosi conținutul pentru a crea arme nucleare. O carcasă complet etanșă, echipată cu un sistem de alarmă fiabil în cazul încercării de a o deschide, iar în interiorul ei se află un reactor cu generator de abur, sigilat ca un geniu într-o sticlă.
Pe măsură ce contradicțiile de pe piața globală a energiei se adâncesc, piața dictează din ce în ce mai mult cererea pentru sisteme autonome de alimentare cu energie. Din punct de vedere juridic, utilizarea pe scară largă a reactoarelor de dimensiuni mici în țările dezvoltate promite mult mai puține dificultăți decât furnizarea acestora către țările în curs de dezvoltare. Ca urmare, visul unei centrale micro-nucleare se transformă din ce în ce mai mult în ideea de a crea un generator de energie punctual folosind combustibil „etern”.
Tehnologiile SSTAR existente nu implică reîncărcare de bază și durata de viață estimată funcţionare continuă are 30 de ani. După această perioadă, se propune pur și simplu înlocuirea întregului bloc cu unul nou. Rețineți că un reactor cu o putere de 100 de megawați se potrivește într-o „sticlă” de 15 metri înălțime și 3 metri în diametru.
Acești indicatori, foarte modesti pentru o centrală electrică, par încă semnificativi când vine vorba de alimentarea cu energie a instalațiilor individuale. Cu toate acestea dezvoltare creativă Proiectul a arătat posibilitatea unei reduceri semnificative a caracteristicilor de greutate și dimensiune cu o reducere adecvată a puterii.
În viitor, designerii intenționează să continue lucrările de miniaturizare a unității de alimentare și îmbunătățirea sistemelor de control. încă unul direcție importantă este de a prelungi durata de viață a „tabletei nucleare” la 40-50 de ani, pentru care este planificată instalarea unor sisteme de ecranare suplimentare în interiorul acesteia.
Deci, este posibil ca în viitorul apropiat să fie posibilă instalarea unei surse aproape eterne de energie direct în subsolul fiecărei case.
Oameni de știință chinezi care lucrează la Institutul de Tehnologie de Securitate energie nucleară, au început lucrările la crearea unei centrale nucleare care va fi cea mai mică din lume. Acest lucru este raportat de .
Centrala nucleară va fi un reactor cu neutroni rapid. Oamenii de știință înșiși au numit-o „baterie nucleară portabilă”. Acest design va permite reactorului să funcționeze fără conditii dificile serviciu timp de 5 ani. Pentru răcire va fi folosit plumbul topit.
O centrală mică va putea produce până la 10 megawați de energie electrică. Mai mult, dimensiunile sale vor avea doar 2 metri lățime și 6 metri înălțime. După cum notează oamenii de știință, va putea furniza energie la aproximativ 50 de mii de case. În ciuda acestui fapt, oamenii de știință au ales instalația de desalinizare a apei, care se află în Marea Chinei de Sud, ca prim punct de funcționare al noului reactor.
Autoritățile chineze intenționează să introducă astfel de „baterii nucleare portabile” în funcțiune în următorii 5 ani.
Micro reactor nuclear Din păcate, nu poate fi creat pentru nevoi casnice și iată de ce. Funcționarea unui reactor atomic se bazează pe reacția în lanț a fisiunii nucleelor de uraniu-235 (²³⁵U) de către un neutron termic: n + ²³⁵U → ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr + γ (202,5 MeV) + 3n. Imaginea reacției în lanț de fisiune este prezentată mai jos
În fig. se poate observa cum un neutron care intră în nucleu (²³⁵U) îl excită și nucleul se împarte în două fragmente (¹⁴¹Ba, ⁹²Kr), un γ-cuantic cu o energie de 202,5 MeV și 3 neutroni liberi (în medie), care la rândul lor pot diviza următoarele 3 nuclee de uraniu care le-au ieșit în cale. Astfel, în timpul fiecărui eveniment de fisiune, se eliberează aproximativ 200 MeV de energie sau ~3 × 10⁻¹¹ J, ceea ce corespunde la ~80 TerraJ/kg sau de 2,5 milioane de ori mai mult decât ar fi eliberat în aceeași cantitate de cărbune arzând. Dar, așa cum ne îndrumă Murphy: „dacă se va întâmpla ceva rău, se va întâmpla”, iar unii dintre neutronii produși de fisiune se pierd în reacția în lanț. Neutronii pot scăpa (sări) din volumul activ sau pot fi absorbiți de impurități (de exemplu, Krypton). Raportul dintre numărul de neutroni din generația ulterioară și numărul de neutroni din generația anterioară în întregul volum al mediului de multiplicare a neutronilor (miezul reactorului nuclear) se numește factor de multiplicare a neutronilor, k. La k<1 цепная реакция затухает, т.к. число поглощенных нейтронов больше числа вновь образовавшихся. При k>1, o explozie are loc aproape instantaneu Când k este egal cu 1, are loc o reacție în lanț staționară. Factorul de multiplicare a neutronilor (k) este cel mai sensibil la masă și puritate combustibil nuclear(²³⁵U). În fizica nucleară, masa minimă de material fisionabil necesară pentru a începe o reacție în lanț de fisiune auto-susținută (k≥1) se numește masă critică. Pentru uraniu-235 este egal cu 50 kg. Cu siguranță nu este micro-sized, dar nici nu este mult. Pentru a evita o explozie nucleară și pentru a crea capacitatea de a controla reacția în lanț (factorul de multiplicare), masa de combustibil din reactor trebuie mărită și, în consecință, trebuie puse în funcțiune absorbante de neutroni (moderatoare). Tocmai acest echipament ingineresc și tehnic al reactorului, în scopul controlului durabil al reacției în lanț, al sistemului de răcire și al structurilor suplimentare pentru siguranța la radiații a personalului, necesită volume mari.
De asemenea, puteți utiliza California-232 ca combustibil cu o masă critică de aproximativ 2,7 kg. În limită, probabil că este destul de posibil să aduceți reactorul la dimensiunea unei bile cu un diametru de câțiva metri. Cel mai probabil, asta este probabil ceea ce se face pe submarinele nucleare. Cred că abordarea unor astfel de reactoare ar trebui să fie foarte periculoasă ☠ din cauza fondului inevitabil cu neutroni, dar ar trebui să ceri războinicilor mai multe detalii despre asta.
Californianul nu este potrivit ca combustibil nuclear din cauza costului său enorm. 1 gram de California-252 costă aproximativ 27 de milioane de dolari. Doar uraniul este utilizat pe scară largă ca combustibil nuclear. Elementele de combustibil pe bază de toriu și plutoniu nu sunt încă utilizate pe scară largă, dar sunt dezvoltate în mod activ.
Compactitatea relativ mare a reactoarelor submarine este asigurată de diferența de proiectare (de obicei reactoare cu apă sub presiune, VVER/PWR), cerințe diferite pentru acestea (cerințe diferite de siguranță și oprire de urgență; la bord, de obicei, nu au nevoie de multă energie electrică, spre deosebire de reactoare a centralelor electrice terestre , care au fost create doar de dragul energiei electrice) și utilizarea diferitelor grade de îmbogățire a combustibilului (concentrația de uraniu-235 în raport cu concentrația de uraniu-238). În mod obișnuit, combustibilul pentru reactoare navale utilizează uraniu cu un grad mult mai mare de îmbogățire (de la 20% la 96% pentru bărci americane). De asemenea, spre deosebire de centralele terestre, unde utilizarea combustibilului sub formă de ceramică (dioxid de uraniu) este obișnuită, reactoarele marine folosesc cel mai adesea aliaje de uraniu cu zirconiu și alte metale drept combustibil.
Dispozitive generatoare curent electric ca urmare a utilizării energiei de dezintegrare nucleară, au fost bine studiate (din 1913) și au fost de mult stăpânite în producție. Ele sunt utilizate în principal acolo unde este nevoie de o relativă compactitate și o autonomie ridicată - în explorarea spațiului, vehicule subacvatice, tehnologii fără pilot și fără pilot. Perspectivele de utilizare a acestora în condiții domestice sunt destul de modeste, pe lângă pericolul de radiație, majoritatea tipurilor de combustibil nuclear sunt foarte toxice și, în principiu, extrem de nesigure atunci când sunt în contact cu; mediu. În ciuda faptului că în literatura de limba engleză aceste dispozitive sunt numite baterii atomice și nu este obișnuit să le numim reactoare, ele pot fi considerate ca atare, deoarece în ele are loc o reacție de dezintegrare. Dacă se dorește, astfel de dispozitive pot fi adaptate pentru nevoile casnice, acest lucru poate fi relevant pentru condiții, de exemplu, în Antarctica.
Generatoarele termoelectrice cu radioizotopi există de mult timp și vă satisfac pe deplin cererea - sunt compacte și destul de puternice. Funcționează datorită efectului Seebeck și nu au părți mobile. Dacă acest lucru nu ar contrazice bunul simț, măsurile de siguranță și codul penal, un astfel de generator ar putea fi îngropat undeva sub un garaj din țară și chiar să alimenteze câteva becuri și un laptop din el. A sacrifica, ca să spunem așa, sănătatea urmașilor și a vecinilor de dragul a o sută sau doi wați de electricitate. În total, peste 1000 de astfel de generatoare au fost produse în Rusia și URSS.
După cum au răspuns deja alți participanți, perspectivele miniaturizării reactoarelor nucleare „clasice” folosind turbine cu abur pentru a genera electricitate sunt foarte limitate de legile fizicii, iar principalele restricții sunt impuse nu atât de dimensiunea reactorului, cât de dimensiunea altor echipamente: cazane, conducte, turbine, turnuri de răcire. Cel mai probabil nu vor exista modele „casnice”. Cu toate acestea, acum sunt dezvoltate în mod activ dispozitive destul de compacte, de exemplu, promițătorul reactor NuScale, cu o putere de 50 MWe, are dimensiuni de doar 76 pe 15 inci, adică. aproximativ doi metri pe 40 de centimetri.
Cu energia de fuziune nucleară, totul este mult mai complicat și ambiguu. Pe de o parte, putem vorbi doar de termen lung. Până acum, chiar și reactoarele mari de fuziune nucleară nu furnizează energie și pur și simplu nu se vorbește despre miniaturizarea lor practică. Cu toate acestea, o serie de organizații serioase și chiar mai serioase dezvoltă surse de energie compacte bazate pe reacția de fuziune. Și dacă în cazul lui Lockheed Martin, cuvântul „compact” înseamnă „dimensiunea unei camionete”, atunci, de exemplu, în cazul agenției americane DARPA, care a alocat în anul fiscal 2009
